1.本发明属于光学领域，具体涉及一种金属波导结构及其使用方法。
背景技术：
2.纳米光子学的迅速发展对光学器件的要求也越来越高，不仅要求光学器件的尺寸要高度小型化，便于纳米应用和集成，而且要求在纳米尺度内实现对光场的聚焦、耦合和传导。但受衍射极限的影响，基于传统的光学原理，常规光波导难以在纳米尺度上实现对光场的有效传输和处理，如何获得高透过率小尺度光场是纳米光子学研究的重要内容之一。其相关技术在实现超分辨光学成像、光生物传感、高密度光存储等多个领域有着广泛的应用前景。
3.中空金属波导结构是获取小尺度光场常见的结构，其中比较典型的是中空金字塔锥形金属波导。由于中空金字塔锥形金属波导金属壁的屏蔽作用，信号光场与外部隔绝，光场传输几乎受外界影响，而且传输端口光场尺寸主要取决于孔径的大小，与光源波长无关，但孔径处获得的传输光场源自中空金字塔锥形金属波导中光场最低阶传输模截止及隐失场衰减辐射，透过率会随孔径尺度减小而急剧降低。利用实心锥形金属波导是实现光场透过率增强的另一种重要技术方法。与常规的中空金属波导隐失场衰减法相比，实心锥形金属波导获取的光场具有高透过率、小尺度等优点，但光场背景噪声大、光场分布和尺度不易控制等缺点显著。
技术实现要素：
4.为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种金属波导结构，旨在解决现有技术存在的问题。
5.本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：
6.一种金属波导结构，包括：
7.金属波导体和介质微球体；
8.所述金属波导体为中空金字塔锥形的框体结构且具有外壁面和内壁面；
9.所述介质微球体设于所述金属波导体内且与内壁面贴合；
10.所述金属波导体包括入射端口和出射端口，所述入射端口和出射端口的形状为方形，处于所述出射端口位置的金属波导体的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角。
11.优选的，所述金属波导体包括若干个首尾相接的连接件，所述连接件的表面设有将所述框体结构包裹住的包层体，所述包层体形成金属壁。
12.优选的，所述金属壁的厚度为100nm。
13.优选的，所述框体结构为棱锥型结构。
14.优选的，所述的入射端口的宽度为5μm，所述出射端口的宽度为100nm，所述金属波导体的锥角为60
°
。
15.优选的，所述介质微球体的半径为1100nm。
16.优选的，在不考虑色散的情况下，所述介质微球体的介电常数为2.2。
17.优选的，所述金属波导体具有四个内壁面，所述介质微球体通过嵌入方式固定在金属波导体内，并与所述四个内壁面相切。
18.本发明还包括一种属波导结构的使用方法，基于上述的金属波导结构，包括以下步骤：
19.将波长λ＝500nm、半宽高为9nm的线性偏振高斯光束作为入射光入射至位于内嵌介质微球体的金属波导体前端的光阑，再经过聚焦透镜，将光场耦合进入内嵌介质微球体的金属波导体，且使其聚焦点为金属波导体入射端口的中心位置；
20.采用时域有限差分数值模型模拟在金属波导体内的光学演化；其中，时域有限差分数值模型的网格单元设为δx＝δy＝δz＝20nm，且截断采用各向异性完全匹配层吸收边界条件；
21.采用drude-lorentz模型描述铝的介电常数与入射波长的关系；其中，空气和铝的介电常数分别为ε2＝1、εal＝-34.2+9.0i；
22.当光场在介质微球体与金属波导体内壁接触激发表面等离子体激元，激发后的表面等离子体激元沿着金属波导体的内壁面传输；随着金属波导体的内壁面的间隙变窄，从而激发间隙表面等离子体；所述表面等离子体激元与间隙表面等离子体叠加在一起就构成驻强波，最后得到增强的输出光场。
23.优选的，所述光阑的直径为9mm，所述聚焦透镜的孔径na为0.65。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.本发明提出的金属波导结构，突破了常见中空金属波导结构受隐失衰减法对孔径大小和透过率的双重制约，通过模拟实现了光场透过率增强，从而对扩展了中空金属波导运用范围有着积极的作用。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明的示意图。
28.图2是未嵌入介质微球体的金属波导体光场传输模拟示意图。
29.图3是嵌入介质微球体的金属波导体光场传输模拟示意图。
30.图4是未嵌入介质微球体的金属波导体的x-z截面和y-z截面光场强度分布图。
31.图5是嵌入介质微球体的金属波导体的x-z截面和y-z截面光场强度分布图。
32.图6是嵌入介质微球体的金属波导体的光场透过率增强曲线图。
33.附图标记说明：
34.1-金属波导体，2-介质微球体，3-聚焦透镜。
具体实施方式
35.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一
部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.参照图1，本发明提供一种金属波导结构，包括：
38.金属波导体1和介质微球体2；
39.所述金属波导体1为中空金字塔锥形的框体结构，所述框体结构为棱锥型结构，包括若干个首尾相接的连接件，所述连接件的表面设有将所述框体结构包裹住的包层体，所述包层体形成金属壁，所述金属壁包括外壁面和内壁面，所述包层体的材料为金属铝材质，所述金属波导体1具有四个内壁面，具有入射端口和出射端口，所述入射端口和出射端口的形状为方形，处于所述出射端口位置的金属波导体1的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角，所述的入射端口的宽度为5μm，所述出射端口的宽度为100nm，所述金属波导体1的锥角为60
°
，
40.所述介质微球体2的半径为1100nm，在不考虑色散的情况下，所述介质微球体2的介电常数为2.2，所述介质微球体2通过嵌入方式固定在金属波导体1内，并与所述四个内壁面相切。
41.在上述的入射端口、出射端口大小以及金属壁的厚度都是可以根据实际情况微调的。
42.图2为未嵌入介质微球体2的金属波导体1光场传输模拟示意图，图3为嵌入介质微球体2的金属波导体1光场传输模拟示意图，下面将会参照图2、图3对未嵌入介质微球体2和嵌入介质微球体2的两种光场传输模拟示意图进行详细介绍和说明，阐明本案例的本发明的运用效果。
43.参照图2所示，图2为未嵌入介质微球体2的金属波导体1光场传输示意图，光阑ad直径为9nm，聚焦透镜3(fl)的数值孔径na为0.65，金属波导体1的入射端口di宽度为5μm，出射端口d0宽度为100nm，金属材料厚度为100nm，锥角角度大小为60
°
。入射光选用波长λ为500nm，半宽高为9nm的线性tm偏振高斯光束。在模拟光场传输过程中，假设聚焦透镜3(fl)的焦点位于金属波导体1的入射端口di的中心位置。本实施案例采用的数值计算方法为时域有限差分法(fdtd)来模拟高温波导模型的光学演化，其中设置的单元网格为δx＝δy＝δz＝20nm，采用各向异性介质完全匹配层作为吸收边界。在材料金属模型方面，采用drude-lorentz模型来描述金属波导体1结构所用金属材料铝的介电常数与入射波长之间的关系，铝的介电常数为εal＝-34.2+9.0i，空气的介电常数值为ε2＝1。
44.如图4所示，当入射光通过光阑ad，再经聚焦透镜3(fl)耦合后，其焦点正好位于金属波导体1模型入射端口di截面的中心位置，随后光场沿着z方向快速发散式传播，发散的光场先与金属壁内壁面接触。因金属波导体1结构锥角较大，大部分入射光会被金属壁内壁面反射回来，被两对称金属壁内壁面会在金属波导体1内形成一个复杂的驻波模式，其光场
继续向前传输过程中可形成多种传输模式。随着光场沿z轴方向向出射端口传输，金属波导体1内径半径不断变小，多种传输模式中的光场高阶传输模会逐渐截止并演化为低阶传输模，由于铝金属壁内壁面非理想状态导体且不可能处于绝对绝热环境，光场大部分能量会在传输过程中被金属壁吸收和损耗，光场最后会以最低阶传输模传输直至最低传输模截止，最后剩余的光场能量会通过倏逝场的形式快速衰减通过出射端口，这就导致金属波导体1的透过率很低，通过图4能够看到金属波导体1出射端口电场强度较低，即光场透过率低。
45.图4为内嵌介质微球体2的金属波导体1光场传输原理图。图4中除了新嵌入了一个介质微球体2，其他设置和参数都与图3一样。介质微球体2是内嵌于金属波导体1之中，且介质微球体2与金属波导体1四面内壁相切。在不考虑色散的情况下，介质微球体2的介电常数ε1＝2.2。
46.本实施案例在嵌入了介质微球体2之后，光场进入内嵌了介质微球体2的金属波导体1的传输过程与图3中未嵌入介质微球体2时发生了改变。在上述图3案例中，光场传输主要是通过倏逝场快速衰减形式通过出射端口，而在本案例中光场主要是通过间隙表面等离子体(gsps)通过出射端口，这种传输方式使得图5出射端口的电场强度要远大于图4中出射端口电场强度，即透过率得到极大增强。下面将会对本案例光场传输过程和原理进行详细阐述。
47.光场在传输过程中主要会先与介质微球体2接触，光场被耦合到介质微球体2内，而不是图3案例中与金属壁内壁面接触。当光场从介质微球体2传输到空气中，在介质微球体2-空气界面会发生全反射，使得介质微球体2表面有很强的倏逝场。因倏逝场中含有大量大于入射光波矢量的波矢量分量，能容易实现与表面等离子体波波矢匹配，从而激发表面等离子体激元(spps)。激发的spps沿着金属壁向出射端口传播，随着表面等离子体激元向前传播，金属壁内壁面间隙越来越窄，在出射端口附近区域表面等离子体激元相互重合叠加形成间隙表面等离子体(gsps)。随着金属波导体1两对称金属壁内壁面间的间距进一步变小，间隙表面等离子体被金属壁内壁面反射回来，并沿着金属壁内壁面往回传播，形成反向传播的spps。当正向传播的spps与反向传播的spps叠加在一起就构成驻强波。ssps和gsps通过这个过程反复传输从而不断激发和放大，使得光场更容易传输到出射端口，从而使光场透过率得到了增强。
48.参照图4，入射光波长为500nm，未嵌入介质微球体2金属波导体1结构得到的图4(a)y-z截面和图4(b)x-z截面的光场强度分布图。
49.参照图5，入射光波长为500nm，本案例的内嵌介质微球体2三维空心金属金字塔型金属波导结构得到图5(a)y-z截面和图5(b)x-z截面的光场强度分布图。通过对图4、图5进行对照，从图5左图可以清晰地看出y-z截面出射端口光场强度有明显的增强，这是由于内嵌介质微球体2金属波导体1结构在y-z激发了gsps，使得光场透过率得到了增强。
50.通过图6可以知，本案例中嵌入介质微球体2半径为1100nm时和没有嵌入介质微球体2相比光场透过率增强了30.4倍。
51.综上所述，本发明提出的内嵌介质微球体2金属波导体1结构突破了常见中空金属波导结构受隐失衰减法对孔径大小和透过率的双重制约，通过模拟实现了光场透过率增强，最大增强倍数为30.4，从而对扩展了中空金属波导运用范围有着积极的作用。
52.本发明还提供了一种使用方法，基于上述的金属波导结构，包括以下步骤：
53.将波长λ为500nm、半宽高为9nm的线性偏振高斯光束作为入射光，让该入射光通过位于内嵌介质微球体2的金字塔型金属波导结构前孔径为9nm的光阑，再经数值孔径na为0.65的聚焦透镜3，将光场耦合进入内嵌介质微球体2的金字塔型金属波导结构，且使其聚焦点为金属波导体1入射端口的中心位置；
54.在数值计算方法上采用时域有限差分方法；时域有限差分法数值模型网格单元设为δx＝δy＝δz＝20nm,且截断边界条件采用各向异性介质完全匹配层边界条件；
55.入射波长与铝的介电常数关系采用drude-lorentz模型来描述；铝的介电常数为εal＝-34.2+9.0i，空气的介电常数值为ε2＝1；
56.当入射光通过光阑，再经聚焦透镜3耦合后，其焦点正好位于内嵌有介质微球体2的金属波导体1的入射端口截面的中心位置，随后光场沿着z方向快速发散式传播，聚焦后的光场主要先与介质微球体2接触，介质微球体2表面会产生含有大量大于入射光波矢量的波矢量分量，使得内嵌有介质微球体2的金属波导体1的金属壁内壁面与介质微球体2接触点附近激发表面等离子体激元(spps)。激发的spps沿着金属壁向出射端口传播，随着表面等离子体激元向前传播，金属内壁间隙越来越窄，在出射端口附近区域表面等离子体激元相互重合叠加形成间隙表面等离子体(gsps)。随着金属波导体1两对称金属壁内壁面的间距进一步变小，间隙表面等离子体被金属内壁反射回来，并沿着金属壁内壁面往回传播，形成反向传播的spps。当正向传播的spps与反向传播的spps叠加在一起就构成驻强波。ssps和gsps通过这个过程反复传输从而不断激发和放大，使得光场更容易传输到出射端口，从而使光场透过率得到了增强。利用内嵌有介质微球体2的金属波导体1的高阶传输模耦合共振激发和有效传输压缩gsps来获得高透过率低噪声纳米量级传输光场的结构可突破常规隐失衰减法对孔径大小和透过率的双重制约。
57.于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系,仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
59.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
60.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。